JVM 架构解析

每个 Java 开发人员都知道字节码经由 JRE（Java 运行时环境）执行。但他们或许不知道 JRE 其实是由 Java 虚拟机（JVM）实现，JVM 分析字节码，解释并执行它。作为开发人员，了解 JVM 的架构是非常重要的，因为它使我们能够编写出更高效的代码。本文中，我们将深入了解 Java 中的 JVM 架构和 JVM 的各个组件。

JVM

虚拟机是物理机的软件实现。Java 的设计理念是 WORA（Write Once Run Anywhere，一次编写随处运行）。编译器将 Java 文件编译为 Java .class 文件，然后将.class 文件输入到 JVM 中，JVM 执行类文件的加载和执行的操作。

JVM 是如何工作的？

JVM 分为三个主要子系统：类加载器子系统（Class Loader Subsystem）运行时数据区（Runtime Data Area）执行引擎（Execution Engine）

1. 类加载器子系统

Java 的动态类加载功能由类加载器子系统处理，处理过程包括加载和链接，并在类文件运行时，首次引用类时就开始实例化类文件，而不是在编译时进行。

1.1 加载

Boot Strap 类加载器，Extension 类加载器和 Application（类加载器是实现类加载过程的三个类加载器。

(1) Boot Strap 类加载器：负责从引导类路径加载类，除了 rt.jar，它具有最高优先级；

(2) Extension 类加载器：负责加载 ext 文件夹（jre \ lib）中的类；

(3) Application 类加载器：负责加载应用程序级类路径，环境变量中指定的路径等信息。

上面的类装载器在加载类文件时遵循委托层次算法（Delegation Hierarchy Algorithm）。

1.2 链接

(1) 验证（Verify）：字节码验证器将验证生成的字节码是否正确，如果验证失败，将提示验证错误；

(2) 准备（Prepare）：对于所有静态变量，内存将会以默认值进行分配；

(3) 解释（Resolve）：有符号存储器引用都将替换为来自方法区（Method Area）的原始引用。

1.3 初始化

这是类加载的最后阶段，所有的静态变量都将被赋予原始值，并且静态区块将被执行。

1. 运行时数据区

运行时数据区可分为 5 个主要组件：

(1) 方法区（Method Area）：所有的类级数据将存储在这里，包括静态变量。每个 JVM 只有一个方法区，它是一个共享资源；

(2) 堆区域（Heap Area）：所有对象及其对应的实例变量和数组将存储在这里。每个 JVM 也只有一个堆区域。由于方法和堆区域共享多个线程的内存，所存储的数据不是线程安全的；

(3) 堆栈区（Stack Area）：对于每个线程，将创建单独的运行时堆栈。对于每个方法调用，将在堆栈存储器中产生一个条目，称为堆栈帧。所有局部变量将在堆栈内存中创建。堆栈区域是线程安全的，因为它不共享资源。堆栈框架分为三个子元素：

局部变量数组（Local Variable Array）：与方法相关，涉及局部变量，并在此存储相应的值操作数堆栈（Operand stack）：如果需要执行任何中间操作，操作数堆栈将充当运行时工作空间来执行操作帧数据（Frame Data）：对应于方法的所有符号存储在此处。在任何异常的情况下，捕获的区块信息将被保持在帧数据中；(4) PC 寄存器（PC Registers）：每个线程都有单独的 PC 寄存器，用于保存当前执行指令的地址。一旦执行指令，PC 寄存器将被下一条指令更新；

(5) 本地方法堆栈（Native Method stacks）：本地方法堆栈保存本地方法信息。对于每个线程，将创建一个单独的本地方法堆栈。

3 执行引擎

分配给运行时数据区的字节码将由执行引擎执行，执行引擎读取字节码并逐个执行。

(1) 解释器：解释器更快地解释字节码，但执行缓慢。解释器的缺点是当一个方法被调用多次时，每次都需要一个新的解释；

(2) JIT 编译器：JIT 编译器消除了解释器的缺点。执行引擎将在转换字节码时使用解释器的帮助，但是当它发现重复的代码时，将使用 JIT 编译器，它编译整个字节码并将其更改为本地代码。这个本地代码将直接用于重复的方法调用，这提高了系统的性能。JIT 的构成组件为：

中间代码生成器（Intermediate Code Generator）：生成中间代码代码优化器（Code Optimizer）：负责优化上面生成的中间代码目标代码生成器（Target Code Generator）：负责生成机器代码或本地代码分析器（Profiler）：一个特殊组件，负责查找热点，即该方法是否被多次调用；

(3) 垃圾收集器(Garbage Collector)：收集和删除未引用的对象。可以通过调用“System.gc（）”触发垃圾收集，但不能保证执行。JVM 的垃圾回收对象是已创建的对象。

Java 本机接口（JNI）：JNI 将与本机方法库进行交互，并提供执行引擎所需的本机库。

本地方法库（Native Method Libraries）：它是执行引擎所需的本机库的集合。